Transzport analógiák vizsgálata kéttestes csőköteges hőcserélőben
A vegyiparban szinte minden eljárásnál valamely extenzív állapotjelző áramával találkozhatunk, legyen az anyag-, hő-, vagy impulzusátadás. Ezen transzportfolyamatok általában nem elszigetelten, hanem egy időben, szimultán játszódnak le. Számos kutatás eredményeképpen bebizonyosodott, hogy a fenti három transzportfolyamatot hasonló egyenletekkel lehet leírni, mely alapján az átadási tényezők között matematikai kapcsolat írható fel. A transzportelméletben ezt nevezik analógiáknak. Sok nagy nevű kutató dolgozott az analógiák kidolgozásán (pl. Osborne Reynolds, Ludwig Prandtl, Kármán Tódor), és egyre pontosabb egyenleteket sikerült felállítani az átadási tényezők számítására. Ezek a mérnöki gyakorlatban olyan esetekben hasznosak, ahol csak az egyik transzport folyamatról vannak ismereteink és ebből kell következtetni a másikra.
Jelen dolgozat célja a hő- és impulzus átadás közötti kapcsolat elemzése, az analógiák elméleti hátterének részletes bemutatása az egyszerűbbektől az összetettebb modellekig. Ismertetem az egyes analógiák alkalmazásának határait, és bemutatok olyan megvalósult projekteket, melyeknél transzport analógiák egyenleteit használták fel az adott probléma megoldásához (cukornádszirup áramlási jellemzőinek meghatározása, lemezes hőcserélő optimalizálása a Chilton-Colburn analógia felhasználásával).
A hő- és impulzusátadás közötti kapcsolat vizsgálata céljából méréseket végeztem a tanszéki laboratóriumban található kéttestes csőköteges hőcserélő mérőállomáson. Az adatokat egy korábbi mérőállomáson végzett mérés eredményeivel is összevetettem.
Számításaimnak három célja volt:
- A mérési eredményekből meghatározott csőoldali hőátadási tényezőt összevetettem a különböző analógiák segítségével kapott hőátadási tényező értékével, és kiválasztottam közülük a legpontosabbnak bizonyulót. Mivel mindegyik analógia nagyon érzékeny a csősúrlódási tényező értékére, így erre vonatkozóan is többféle modellt vizsgáltam.
- A kiválasztott analógia érvényességét feltételezve meghatároztam a köpeny oldali hőátadási tényezőt abban az esetben, amikor mind a cső- és köpenyoldalon érzékelhető hőátadás történik, így méréssel nem egyszerű a hőátadási tényezők meghatározása.
- Végezetül pedig annak keresem az okát, hogy a jelen hőcserélő kialakítás esetén miért csökken a mért csőoldali Nusselt-szám a Reynolds-szám függvényében. A fűtő-hőcserélő hasznos hőátadó elméleti csökkentésével próbáltam modellezni a folyamatot, hogy az eredmények a nagyobb Re számok esetében is jól kövessék az analógiát.
- Végezetül a kapott eredmények alapján javaslatot tettem a hőcserélő átépítésére.
szerző
-
Zsigmond Zalán
Energetikai mérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Dr. Molnár Orsolya
adjunktus, Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék
